A Koopman-based residual modeling approach for the control of a soft robot arm

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作者
Daniel Bruder,David Bombara,R.J.K. Wood
出处
期刊:The International Journal of Robotics Research [SAGE]
标识
DOI:10.1177/02783649241272114
摘要

Soft robots are challenging to model and control due to their poorly defined kinematics and nonlinear dynamics. Recently, Koopman operator theory has been shown capable of constructing control-oriented soft robot models from data. However, building these models requires extensive data collection and they do not necessarily generalize well outside of the training observations. This paper presents a more data-efficient and generalizable approach to soft robot modeling that first identifies a physics-based Koopman model then supplements it with a data-driven residual Koopman model. The resulting combined model is linear and thus compatible with real-time model-based control techniques such as Model Predictive Control (MPC). The efficacy of the approach is demonstrated on several simulated systems and on a real soft robot arm, where it is shown to generate models that are more accurate than purely physics-based models and require less data to construct than purely data-driven models. Using a model-based controller, the soft arm is able to successfully track end effector trajectories, perform a pick-and-place task, and write on a dry-erase board, showcasing the applicability of this framework to increase the capabilities of soft robotic systems.
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